Las baterías de iones de litio son reconocidas por tener una densidad alta de energía, que es otra forma de decir que para un peso determinado, mantienen mucha carga. Y cuando no se están usando, retienen su carga por un periodo mayor de tiempo que otros tipos de baterías. A diferencia de la mayoría de otros tipos de batería recargable, las baterías de iones de litio no tienen "memoria", lo que significa que no tienen que descargarse completamente hasta el final antes de ser recargadas. Hay distintos tipos de baterías de iones de litio (Li-ion para abreviar), pero en todos los casos hay un electrodo negativo, generalmente compuesto de carbono, llamado ánodo. También hay un electrodo positivo de óxido de litio, llamado cátodo, y un electrolito que contiene sal de litio. Cada tipo de celda de batería produce su propio voltaje característico y tiene su propio conjunto de fortalezas y debilidades.
La desventaja de las baterías de iones de litio es su potencial para explosiones e incendios, que pueden suceder si se sobrecargan o se cargan demasiado rápido con demasiada corriente. Debido a este riesgo, debe existir un sistema de circuitos para proteger contra cualquiera de estos eventos. El litio por sí mismo puede reaccionar de manera explosiva cuando es expuesto al agua, de manera que las baterías de iones de litio deben construirse de manera sólida para resistir traumas mecánicos.
¿Cómo funcionan?
La estructura básica de una batería de iones de litio incluye el ánodo, o terminal negativo, que a menudo está hecho de grafito, y el cátodo, o terminal positivo, que se puede construir de óxido de litio. Un separador evita que los terminales se toquen, pero es permeable a los iones de litio que flotan libremente entre los terminales en una solución llamada electrolito.
Figura 1: Una celda de batería de iones de litio. (Fuente: Palladium Energy)
Carga y descarga de la batería
El funcionamiento de la batería de iones de litio se entiende mejor en términos de oxidación (la pérdida de electrones) y reducción (la ganancia de electrones). Un principio básico de química es que estas reacciones deben equilibrarse entre ellas. Por cada ganancia debe haber una pérdida; por cada oxidación debe haber una reducción.
Durante la carga, tiene lugar la oxidación en el cátodo (el terminal positivo), que pierde electrones, equilibrado por la reducción, o ganancia de electrodos en el ánodo (el terminal negativo). Cuando la batería está totalmente cargada, los iones de litio libres y de carga positiva serán atraídos al terminal negativo.
Cuando la batería proporciona energía, los electrones salen del ánodo (el terminal negativo) a través del dispositivo que carga la batería, y de vuelta al terminal positivo (el cátodo).
El proceso se revierte; ahora, la oxidación tiene lugar en el ánodo (el terminal negativo), la reducción está ocurriendo en el cátodo. Ahora que el terminal negativo ha perdido algunos de esos electrones, pierde algunos iones cargados positivamente, que fluyen de vuelta al cátodo. El ciclo está completo.
Óxido de litio-cobalto
El tipo de batería de iones de litio elegido con mayor frecuencia para electrónicos portátiles es la variedad de óxido-cobalto-litio, llamado así por la composición (LiCoO2) de su electrodo positivo o cátodo. El ánodo, su electrodo negativo, es de carbón de grafito. Densidades de energía de hasta 250 vatios-hora son posibles, lo cual es alto incluso comparado con otras baterías de iones de litio. Una unidad que está calificada, por ejemplo, a 2 horas-amp, nunca debe ser cargada con más de dos amps, y el factor de seguridad estándar es 0,8, para una tasa de carga máxima de 0,8 x 2,0 amps o 1,6 amps. Hay limitaciones similares a sus tasas de descarga. Es de vital importancia para los sistemas de circuito de control mantener las operaciones dentro del rango, y asegurar de que la unidad no exceda sus calificaciones de temperatura, o existe un gran riesgo de incendio o explosión. El voltaje típico de operación es 3,6 voltios, que, aparte de su densidad de alta potencia, lo hace ideal para cargar dispositivos electrónicos móviles.
Óxido de cobalto manganeso níquel litio (NMC)
Este tipo de batería de iones de litio tiene una menor densidad de energía, pero tiene una vida más larga que la del óxido litio-cobalto, y a menudo se usa en vehículos eléctricos. La fórmula química para el ánodo es LiNiMnCo02, y estos tipos de baterías de iones de litio pueden recargarse a través de muchos ciclos sin deterioro.
En vehículos eléctricos, estas celdas están configuradas en bloques paralelos para poder desplegar corriente suficiente y luego esos bloques se usan en serie para ofrecer suficiente voltaje para dar energía de manera adecuada al motor del vehículo eléctrico. La batería completa está compuesta de varios cientos de celdas. Esto complica de manera importante los requisitos para el sistema de circuitos requerido para monitorear el voltaje y la corriente de descarga, carga y temperatura, ya que cada celda debe ser monitoreada individualmente.
Mejoras e innovaciones
Hay muchos otros tipo de baterías de iones de litio ahora en producción. Grandes cantidades de dinero se están gastando a nivel mundial para mejorar este tipo de baterías de iones de litio, y para conseguir nuevas fórmulas.
Para tipos NMC, se han realizado investigaciones con el uso de menos níquel y cobalto a cambio de más manganeso, especialmente litio. El resultado ha sido una densidad mayor de energía sin los excesivos riesgos asociados con las variedades de óxido de litio-cobalto, pero parece, hasta ahora, que las celdas resultantes no pueden ser recargadas durante tantos ciclos. Cuando la investigación dé frutos, significará que menos celdas serán capaces de proporcionar los vatios-hora, con el resultado directo de baterías más ligeras y más baratas.
Para todas las baterías de iones de litio existentes en el mercado, el proceso de fabricación involucra el uso de materiales tóxicos altamente inflamables, lo que dicta el uso de equipo de producción extremadamente costoso que no puede emitir chispas. Los químicos involucrados no pueden entrar en la atmósfera o en la tabla de agua, y esto también, aumenta de manera importante los costos de fabricación. Se espera que un mayor entendimiento de las sutilezas de la interacción química entre los varios componentes de las baterías de iones de litio permita más manipulaciones en los procesos de fabricación, eliminando la necesidad de estos peligrosos elementos. Si se tiene éxito, esto significará una disminución en los costos de todas las baterías de iones de litio.
Otra área de investigación activa está en acelerar el tiempo de carga. Finalmente, esto podría ser incluso más importante que la densidad de energía o incluso que los costos para la aceptación de los vehículos eléctricos por parte del público general. Una manipulación que está siendo considerada es el pulso de la corriente de carga, en lugar de aplicarla de manera continua, lo que ha mostrado una promesa en la reducción del tiempo de carga. El hacerlo ocasiona nuevos tipos de intermediarios químicos en varios sitios dentro de la batería que se está cargando que todavía no se entienden muy bien. Explotar esta posibilidad también requerirá un mayor entendimiento de las químicas, y de la reacción de los componentes de las baterías a las condiciones presurizadas dentro de la batería en funcionamiento.
Las baterías se han convertido en un factor limitante en muchas áreas vitales, incluidos los vehículos y los dispositivos móviles. Se están mejorando los tipos actuales y se están desarrollando tipos nuevos. Pero para una generación acostumbrada a las Leyes de Moore, es posible que el progreso no esté sucediendo lo suficientemente rápido. Los laboratorios universitarios y corporativos en todo el mundo están explorando alternativas radicales, y es muy posible que resulte que las baterías de iones de litio sean recordadas como un producto de transición.